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Metodo degli elementi finiti

1943
  • Richard Courant
  • Alexander Hrennikoff
  • Olgierd Zienkiewicz
Metodo degli elementi finiti applicato all'analisi strutturale in uno studio di ingegneria.

Il Metodo degli Elementi Finiti (FEM) è una potente tecnica numerica per la risoluzione di complessi problemi di ingegneria e fisica descritti da differenziale parziale equazioni. Funziona discretizzando un dominio continuo in una serie di sottodomini più piccoli e semplici, chiamati "elementi finiti". Ciò consente la soluzione numerica approssimata di problemi di analisi strutturale, trasferimento di calore, flusso di fluidi ed elettromagnetismo.

Il processo FEM inizia con la "discretizzazione" del dominio del problema in una maglia di elementi finiti (ad esempio, triangoli o quadrilateri in 2D, tetraedri o esaedri in 3D). All'interno di ciascun elemento, la variabile di campo sconosciuta (ad esempio, lo spostamento) è approssimata da semplici funzioni polinomiali, note come funzioni di forma. I valori del campo ai nodi dell'elemento diventano le nuove incognite del problema.

Si ricava un sistema di equazioni algebriche per l'intero dominio, in genere utilizzando un principio variazionale come il principio di minima energia potenziale o un residuo ponderato. metodo come il metodo Galerkin. Questo processo genera una "matrice di rigidezza dell'elemento" [latex][k_e][/latex] per ciascun elemento, che mette in relazione le forze nodali [latex]\{f_e\}[/latex] con gli spostamenti nodali [latex]\{u_e\}[/latex] tramite [latex][k_e] \{u_e\} = \{f_e\}[/latex]. Queste matrici dei singoli elementi vengono poi sistematicamente combinate ("assemblate") in un'unica matrice di rigidità globale [latex][K][/latex] per l'intera struttura. Dopo aver applicato le condizioni al contorno note (forze e vincoli), il grande sistema di equazioni lineari risultante, [latex][K] \{U\} = \{F\}[/latex], viene risolto numericamente per il vettore di spostamento globale sconosciuto [latex]\{U\}[/latex]. Una volta noti gli spostamenti nodali, è possibile calcolare altre quantità come le deformazioni e le sollecitazioni per ciascun elemento.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Analisi numerica

Tipo

Software/Algoritmo

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Calcolo delle variazioni
  • Algebra delle matrici
  • L'avvento dei computer digitali
  • Teoria dell'elasticità e del continuo mechanics
  • Metodo Rayleigh-Ritz per l'approssimazione delle soluzioni

Applicazioni

  • analisi strutturale software (ad esempio, ansys, abaqus, nastran)
  • simulazioni di incidenti automobilistici
  • progettazione di componenti aerospaziali e analisi delle sollecitazioni
  • analisi termica dei componenti elettronici
  • simulazione biomeccanica di impianti e tessuti

Brevetti:

NA

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